先進(jìn)的PFC/PWM組合控制器UCC28510系列及其應(yīng)用電
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摘要：介紹了PFC/PWM組合控制器UCC28510系列的主要特點(diǎn)及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)程序。
關(guān)鍵詞：PFC/PWM組合集成電路；UCC28510系列；應(yīng)用電路；設(shè)計(jì)
1 引言
德州儀器（TI）公司新推出的UCC28510系列PFC/PWM組合控制器，含有8個(gè)型號(hào)（從UCC28510到UCC28517）。這些控制器PFC級(jí)和PWM級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)源電流和阱電流，由先前同類器件的0.3～1.5A分別增加到2A和3A，從而使離線式開關(guān)電源（SMPS）的功率提高到300W以上。該功率等級(jí)屬于業(yè)界真正要求的嚴(yán)格限制諧波含量的SMPS功率范疇。
由于UCC28510系列PFC/PWM組合控制器在設(shè)計(jì)上有許多創(chuàng)新，在通用AC線路輸入（85～265V）和負(fù)載范圍內(nèi)，電流諧波含量完全符合ICE1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求，線路功率因數(shù)非常接近于1。同時(shí)，PFC升壓變換器輸出紋波電流明顯減小，系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)得到提高。與先前的PFC/PWM組合控制器比較，采用該系列控制器可使SMPS系統(tǒng)電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化，從而有助于降低系統(tǒng)成本，節(jié)省空間，提高系統(tǒng)功率密度和可靠性。
2 主要特點(diǎn)
UCC28510系列控制器具有以下幾方面的特點(diǎn)。
1）采用20引腳PDIP或20引腳SOICW封裝（功率耗散分別為1W和0.7W），工作結(jié)溫范圍為－50℃～150℃。
2）將連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）平均電流型控制PFC控制器和峰值電流模式PWM級(jí)電路集成在同一芯片上，設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1所示。
3）PFC控制器中的三輸入高度線性化的乘法器和跨導(dǎo)（gm）電壓誤差放大器大大地提高了電路的瞬變響應(yīng)。
4）PWM控制器最大占空比可編程設(shè)定，并且開關(guān)頻率fPWM可以與fPFC相同，也可以選擇fPWM=2fPFC，具體如表1所列。
5）為了減小PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器輸出電容器上的紋波電流，PFC和PWM級(jí)分別采用前沿調(diào)制和后沿調(diào)制。圖2示出了UCC28510系列脈沖前沿/后沿調(diào)制（LEM/TEM）控制器與傳統(tǒng)后沿/后沿調(diào)制（ TEM/TEM）PFC與PWM組合控制器在能量貯存電容器（CES）上的電流（iES）對(duì)比。
圖1 UCC28510系列PFC/PWM控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2 前沿/后沿調(diào)制（LEM/TEM）紋波電流與后沿/后沿調(diào)制（TEM/TEM）比較
此外，UCC28510系列PFC/PWM組合控制器還具有可編程軟啟動(dòng)，PFC輸入電壓前饋控制，峰值電流和功率限制，零功率檢測(cè)和過電壓保護(hù)等特征。
表1 UCC28510系列ICs之間的主要不同點(diǎn)
| PFC欠電壓鎖定 （UVLO）導(dǎo)通門限 /V | PWM滯后電壓/V | fPFC∶fPWM | |
|---|---|---|---|
| 1∶1 | 1∶2 | ||
| 16 | 1.45 | UCC28510 | UCC28514 |
| 10.2 | 1.45 | UCC28511 | UCC28515 |
| 16 | 3.20 | UCC28512 | UCC28516 |
| 10.2 | 3.20 | UCC28513 | UCC28517 |
3 應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)
3.1 應(yīng)用電路
UCC2851X作為控制器的PFC升壓預(yù)變換器與回掃（反激）式PWM功率級(jí)SMPS電路如圖3所示。圖中，UCC2851X（U1）中的PFC控制器、升壓電感器L1、PFC開關(guān)（Q1）、升壓二極管D3和輸出電容器C1等，組成有源PFC升壓預(yù)變換器。R3和R4組成的電阻分壓器用作PFC變換器DC輸出電壓（400V）檢測(cè)，感測(cè)信號(hào)通過U1的腳3輸入到內(nèi)部以7.5V為參考的誤差放大器。正比于整流電壓的電流信號(hào)經(jīng)電阻R1和U1的IAC腳（腳18）輸入到內(nèi)部乘法器，以保證整流器（D1）輸入端的AC電流跟蹤AC線路電壓瞬時(shí)變化軌跡。電阻R2是PFC級(jí)電流感測(cè)元件。R2上感測(cè)的電壓信號(hào)分別經(jīng)U1腳16（ISENSE1）和腳14（PKLMT）輸入到內(nèi)部電流放大器和PFC電流限制比較器，以履行PFC級(jí)PWM脈沖占空比控制和峰值電流控制。
圖3 UCC2851X典型應(yīng)用電路
R6和C3是U1啟動(dòng)元件。當(dāng)U1被啟動(dòng)Q1開始開關(guān)之后，變壓器T1的輔助繞組、二極管D5和電容C3組成的電源電路為U1提供工作電壓（和電流）。U1腳2（RT）外部電阻R20用作設(shè)定振蕩器頻率。
U1腳4外部R16和R19組成的電阻分壓器，用作編程PWM最大占空比。電阻R5為PWM級(jí)電流感測(cè)元件。R2上感測(cè)的電壓信號(hào)經(jīng)U1腳8（ISENSE2）輸入，以履行峰值電流限制。U1腳13（SS2）外部電容C5，用作編程PWM級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。SMPS次級(jí)DC輸出到初級(jí)的反饋環(huán)路，由電阻分壓器、作為誤差放大器使用的U3（TL431）和光耦合器U2組成。U1的腳7（VERR）接收反饋信號(hào)，以控制PWM占空比。
3.2 主要元件參數(shù)確定的方法
3.2.1 設(shè)計(jì)程序
設(shè)計(jì)程序參考圖3所示的應(yīng)用電路。首先選擇UCC28510系列ICs中的一種控制器，再按以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：
1）功率級(jí)元器件；
2）PFC級(jí)控制元件；
3）PWM級(jí)控制元件。
元件的確定必須根據(jù)給定的技術(shù)條件，具體包括系統(tǒng)輸出電壓VOUT、輸出功率POUT和AC線路電壓VAC范圍。其它的技術(shù)要求有效率和允許的電流諧波等。
3.2.2 確定相關(guān)參數(shù)
1）PFC級(jí)最小占空比D1（min)
PFC升壓變換器在CCM下操作，最小占空比由最低AC線路電壓VAC(min)和PFC輸出存儲(chǔ)電容C1上的電壓VC1決定。
D1(min)=1－
（1）
2）確定調(diào)節(jié)常數(shù)K1R
能量存儲(chǔ)電壓的調(diào)節(jié)常數(shù)K1R由式（2）確定。
K1R=
（2）
式中：PWM導(dǎo)通參考是6.75V，PWM滯后為1.45V或3.2V，VREF=7.5V。因此可得
K1R=0.29（對(duì)應(yīng)UCC28510/28511/28514/28515）；
K1R=0.53（對(duì)應(yīng)UCC28512/28513/28516/28517）。
3）最低能量存儲(chǔ)電壓VC1(min)
C1上的最低能量存儲(chǔ)電壓VC1(min)由K1R和正常狀態(tài)下C1上的電壓VC1(nom)決定。
VC1(min)=(1－K1R)·VC1(nom)(3)
4）編程PWM級(jí)開關(guān)頻率fs(PWM)
用U1腳RT外部電阻R20設(shè)定fs(PWM)
R20=
（4）
推薦R20=45～500kΩ。
3.2.3 元器件的確定
1）功率級(jí)元器件
在圖3所示的電路中，功率級(jí)元器件包括C1～C3、D1～D5、L1、R1、Q1、Q2和T1。因篇幅所限，PWM功率級(jí)元器件Q2、D4、D5、C2和變壓器T1不在此討論。在PFC級(jí)元器件C1、C3、D1～D3和Q1中，除C1因PFC/PWM同步化要求需要討論外，其它元器件選擇方法在固定頻率PFC設(shè)計(jì)中都有介紹，故也不再涉及。
（1）升壓電感器L1
PFC升壓電感器L1可利用式（5）計(jì)算。
L1=
（5）
式中：TS(PFC)為開關(guān)周期；
PIN為輸入功率；
KRF=ΔiL1(p-p)/iL1(max)=0.2～0.3，為紋波因數(shù)。
（2）電流傳感電阻R2和PFC峰值電流限制編程電阻R17與R14PFC級(jí)電流感測(cè)電阻R2可由式（6）確定。
R2=
（6）
在式（6）中，R2操作動(dòng)態(tài)范圍VDYNAMIC圍繞1V，iL1(max)=
PIN/VAC(min)。
UCC2851X腳PKLMT外部電阻分壓器R7與R14用作編程過電流門限電壓。R14可圍繞10kΩ選擇，R7與R14之間關(guān)系如下。
=
（7）
（3）電容器C1
PFC升壓變換器輸出電容器C1的選擇必須保證要求的支持（hold-up）時(shí)間tHU，其容值由式（8）確定。
C1=
（8）
C1還必須能經(jīng)受住有效值紋波電流IC1(rms)。
IC1(rms)取決于開關(guān)Q2的電流IQ2、占空比D2(nom)、VC1(nom)和VAC(min)。
（9）
IC1(rms)與IQ2之比率可以從UCC2851X的相關(guān)曲線上查出。
（4）PWM級(jí)電流感測(cè)電阻R5
UCC2851X腳8內(nèi)部峰值電流限制比較器的輸入門限電壓VTH為1.3V，R5可按式（10）計(jì)算。
R5=VTH(1.3V)/iQ2(peak)（10）
2）PFC級(jí)控制元件
（1）乘法器動(dòng)態(tài)范圍設(shè)定
乘法器動(dòng)態(tài)范圍依賴于PFC/PWM組合控制器IAC、VAOUT和VFF腳上的電流或電壓。這幾個(gè)參數(shù)的限制條件如下：
0≤iIAC(t)≤500μA（11）
0≤VVOUT(t)≤5V
1.4V≤VVFF≤VREF－1.4V
相關(guān)元件的選擇如表2所列。
表2 乘法器相關(guān)元件計(jì)算公式
（2）PFC電流環(huán)路控制元件
在U1的電流放大器輸出（腳15）與電流放大器反相輸入端（腳17）之間，在外部連接由C7和C6、R13組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。R13用作設(shè)定在交叉頻率fCO(PFC)上補(bǔ)償器增益，選擇C6在交叉頻率上設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，C7用作在開關(guān)頻率 fS(PWM)的1/2處提供一個(gè)極點(diǎn)。這三個(gè)元件的計(jì)算公式如表3所列。
表3 PFC電流環(huán)路控制元件計(jì)算公式
3）PWM級(jí)控制元件
U1腳4外部電阻R16和R19，用作設(shè)定最大占空比DPWM(max)，以防止變壓器飽和。R16與R19之比由式（12）確定。
=
－1（12）
當(dāng)腳4上電壓為VDX時(shí)，最大占空比DPWM(max)可由式（13）計(jì)算。
DPWM(max)=(0.26－4.4×10－8fs)VDX＋6.9×10－8fs－0.31（13）
當(dāng)VDX=4.15V時(shí)，DPWM(max)=（75±5）％。它比PFC級(jí)最大占空比DPFC(max)〔95±5）％〕小一些。
4）元器件選擇舉例
對(duì)于圖3所示的應(yīng)用電路，若AC輸入范圍為85～265V，PFC級(jí)電路DC輸出電壓是400V，輸出功率為100W，U1選用UCC28517（fPFC=1/2fPWM），VCC腳電源12V，PFC級(jí)和變壓器初級(jí)PWM級(jí)電路主要元器件的選擇如下：
（1）功率器件和磁性元件
Q1和Q2選用IRFP450型MOSFET，D1選用PB66全橋整流器，D2選用G1756二極管，D3選用HFA08TB60快速恢復(fù)二極管。升壓電感器L1電感值為1.7mH，變壓器T1選用PB2039。
（2）阻容元件
主要阻容元件數(shù)值如表4所列。
表4 阻容元件的選擇
評(píng)論